Soczewki — rodzaje, ogniskowa i obrazy
Soczewka to przezroczyste ciało załamujące promienie świetlne. Soczewki skupiające zbierają promienie w ognisku, a rozpraszające je rozbiegają. Rodzaj obrazu zależy od odległości przedmiotu.
Soczewki działają na jednej zasadzie — załamaniu światła przy przejściu między ośrodkami. Poniżej rodzaje, powstawanie obrazów i zastosowania praktyczne.
Dwa rodzaje soczewek
- Skupiające (wypukłe) — grubsze w środku, zbierają promienie w jednym punkcie
- Rozpraszające (wklęsłe) — cieńsze w środku, rozbiegają promienie
Prosty test rozpoznawczy: soczewka skupiająca powiększa obraz przy patrzeniu z bliska, rozpraszająca pomniejsza.
Podstawowe pojęcia
- Ognisko — punkt, w którym zbiegają się promienie równoległe do osi
- Ogniskowa (f) — odległość ogniska od środka soczewki
- Zdolność skupiająca — odwrotność ogniskowej, mierzona w dioptriach
Dioptrie znane są z recept okulistycznych. Wartość dodatnia oznacza soczewkę skupiającą i korekcję dalekowzroczności, ujemna rozpraszającą i korekcję krótkowzroczności.
Równanie soczewki
1/x + 1/y = 1/f, gdzie x to odległość przedmiotu, y odległość obrazu, f ogniskowa.
Powiększenie obliczamy jako stosunek y do x — wartość większa od jedności oznacza obraz powiększony.
Rodzaje obrazów w soczewce skupiającej
- x > 2f — obraz rzeczywisty, odwrócony, pomniejszony (aparat fotograficzny)
- x = 2f — rzeczywisty, odwrócony, tej samej wielkości
- f < x < 2f — rzeczywisty, odwrócony, powiększony (rzutnik)
- x < f — pozorny, prosty, powiększony (lupa)
Ostatni przypadek tłumaczy działanie lupy: przedmiot trzeba trzymać bliżej niż ogniskowa, inaczej obraz się odwróci. Każdy, kto oddalał lupę od tekstu, widział ten moment przeskoku.
Obraz rzeczywisty a pozorny
Rzeczywisty powstaje przez rzeczywiste przecięcie promieni — można go rzucić na ekran. Pozorny tworzą przedłużenia promieni, więc na ekranie się nie pojawi.
Soczewka rozpraszająca daje zawsze obraz pozorny, prosty i pomniejszony, niezależnie od odległości przedmiotu.
Wady soczewek
Rzeczywiste soczewki nie dają obrazu idealnego. Aberracja sferyczna polega na tym, że promienie przechodzące przez brzegi soczewki skupiają się bliżej niż te biegnące przez środek, przez co obraz traci ostrość na krawędziach.
Aberracja chromatyczna wynika z tego, że światło o różnych barwach załamuje się pod nieco innym kątem — na granicach kontrastowych obiektów pojawiają się wtedy kolorowe obwódki. Obie wady koryguje się, łącząc kilka soczewek o różnych właściwościach w jeden zespół. Dlatego obiektywy fotograficzne składają się z kilkunastu elementów, choć teoretycznie wystarczyłaby jedna soczewka.
Soczewki w przyrodzie i technice
Oko zawiera soczewkę o zmiennej ogniskowej — mięsień rzęskowy zmienia jej kształt, umożliwiając ostre widzenie z różnych odległości. To rozwiązanie, którego optyka techniczna długo nie potrafiła powtórzyć; aparaty regulują ostrość przez przesuwanie sztywnych soczewek, nie zmianę ich kształtu.
Krople wody działają jak małe soczewki skupiające, co bywa przyczyną pożarów w lesie po deszczu i tłumaczy, dlaczego nie należy zostawiać szklanych naczyń na nasłonecznionym parapecie.